Balıklar diğer su altı araçlarına göre vücut yapıları ve hareket tipleri açısından çok verimli bir yapıya sahiptir. Hareket kabiliyeti, hızlı yüzebilme ve yüksek manevra yeteneği gibi özellikleri ile doğadaki en iyi yüzücülerdir. Böylece su altında oldukça rahat bir Ģekilde hareket edebilir ve sığ sularda bile yüzebilmektedirler.
Bu tez çalıĢmasında, bir robot balık tasarımına ıĢık tutacak Ģekilde balık yüzme hareketleri incelenmiĢ ve matematiksel modeller yardımı ile robot balığın dinamik modeli oluĢturulmuĢtur. Elde edilen tasarım yöntemi ile hem BCF (Vücut ve/veya Kuyruk ile Hareket) hem de MPF (Orta ve/veya Çift Yüzgeç ile Hareket) hareket tiplerinde yüzebilen ve uzaktan kumanda yardımı ile kontrol edilebilen 4-eklemli Carangiform türü bir robot balık prototipi gerçeklenmiĢtir. Tasarlanan prototip üzerinde bulunan kablosuz kamera yardımı ile uzakta bir bilgisayara su altı görüntüsü gönderebilmektedir. Ayrıca, robot balık üzerinde bulunan algılayıcılar yardımı ile engellerden sakınarak otonom yüzme yeteneğine sahiptir. Robot balık prototipi, Carangiform türü bir balığa ait kinematik ve hidrodinamik modeller yardımı ile elde edilen tasarım yönteminin doğruluğunu gösteren ve performans analizinin yapılabileceği bir yüzme havuzu ortamında video kamerası ve kiĢisel bir bilgisayar yardımı ile test edilmiĢtir. Deneysel çalıĢmalardan elde edilen veriler karĢılaĢtırıldığında, robot balık yalpa hareketleri yapmadan ileri yön, sağa ve sola dönüĢ hareketleri ile su yüzeyine yakın bir Ģekilde yüzebilmektedir. Kumandadan gönderilen yön bilgisi değerlendirildiğinde, istenilen yönde bir engel var ise öncelikle engeli geçmekte daha sonra istenilen yönde hareket etmektedir. Benzetim çalıĢmalarında elde edilen eklemlere ait açı değerleri deneysel çalıĢmalarda prototipe uygulanarak istenilen yönde hareketin sağlandığı görülmüĢtür. Deneysel olarak, robot balık prototipinin ileri yön kalıcı durum hızı f=2Hz’lik çırpınma frekansı için yaklaĢık 0.13m/s olarak hesaplanmıĢtır. Bu değer, benzetim çalıĢmalarında yaklaĢık olarak 0.18m/s olarak belirlenmiĢtir. Uygulama ve benzetim çalıĢmaları arasındaki bu farkın, modellenmemiĢ dinamiklerden ve uygulamadaki parametre belirsizlikleri ile ölçüm hatalarından kaynaklandığı düĢünülmektedir. GerçekleĢtirilen prototip ile deneysel gözlemlere dayanarak, yeni nesil bir robot balığın tasarımı ve modellenmesi konusunda bilimsel bir zemin oluĢturulmuĢtur.
OluĢturulan robot balık prototipinin tasarım modelinin basit, geliĢtirilebilir ve uygulanabilirliğinin yüksek olması nedeniyle, ileride yapılacak çalıĢmalara temel oluĢturabileceği düĢünülebilir.
KAYNAKLAR
[1] Sfakiotakis, M., Lane, D.M., and Davies, J.B.C., 1999, Review of Fish Swimming Modes for Aquatic Locomotion, IEEE Journal of Ocean Eng., 24 (2), 237- 252.
[2] Wang, H., 2009, Design and Implementation of a Biomimetic Robotic Fish, Ms Thesis, Concordia University, Montreal.
[3] http://www.harunyahya.org/bilim/biyomimeti/Biyomimetik_01.html/, Biomimetik, 26 Eylül 2011.
[4] Vepa, R., 2009, Biomimetic Robotics Mechanisms and Control, Cambridge University Press, New York.
[5] Karaca, B., 2006, Yunus Yüzme Hareketinin Modellenmesi ve Optimizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Ġ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Ġstanbul.
[6] Yu, J., Wang, L. and Tan, M., 2005, A Framework for Biomimetic Robot Fish’s Design and Its Realization, American Control Conference, Portland, June 8- 10, 1593-1598.
[7] Yu, J., Wang, S. and Tan, M., 2003, Design of a Free-Swimming Biomimetic Robot Fish, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Port Island, Kobe, Japan, July 20-24, 95-100.
[8] Yu, J., Tan, M., Wang, S., Chen, E., 2004, Development of a Biomimetic Robotic Fish and Its Control Algorithm, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics-Part B: Cybernetics, 34 (4), 798-1810.
[9] Qiu, W., Liu, J. and Hu, H., 2007,A Methodology of Modelling Fish-like Swim Patterns for Robotic Fish, Proceedings of IEEE 2007 International Conference on Mechatronics and Automation, Harbin, China, August 5-8, 1316-1321.
[10] Hu, H., 2006, Biologically Inspired Design of Autonomous Robotic Fish at Essex, Proceedings of the IEEE SMC UK-RI Chapter Conference on Advances in Cybernetic Systems, Sheffield, September 7-8,1-8.
[11] Liu, J. and Hu. H., Biological Inspiration: From Carangiform Fish to Multi-Joint Robotic Fish, Journal of Bionic Engineering, 7 (1), 35-48.
[12] Liu J., Dukes, L., Knight, R. and Hu, H., 2004, Development of Fish-Like Swimming Behaviours for An Autonomous Robotic Fish, Proceedings of Control, University of Bath, September, 6-9.
[13] Liu, J. and Hu, H., 2004, A 3D Simulator for Autonomous Robotic Fish, International Journal of Automation and Computing 1, 1 (1), 42-50.
[14] Zhang, L., Zhao, W., Hu, Y., Zhang, D., and Wang, L., 2007, Development and Depth Control of Biomimetic Robotic Fish, Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, San Diego, CA, USA., Oct 29-Nov 2, 3560-3565.
[15] Yu, J., Wang S. and Tan, M., 2005, A Simplified Propulsive Model of Biomimetic Robot Fish and Its Realization, Robotica, 23, 101-107.
[16] Tong, B. G., 2000, Propulsive Mechanism of Fish's Undulatory Motion, Mechanic in Engineering, 22 (3), 69-74.
[17] Cheng, J. Y. and Blickhan, R., 1994, Note On The Calculation of Propeller Efficiency Using Elongated Body Theory, Journal of Experimental Biology,
192, 169-1 77.
[18] Triantafyllou, M. S. and Triantafyllou, G. S., 1995, An Efficient Swimming Machine, Scientific American, 272, 64-70.
[19] Hirata,K,, Design and Manufacturing of a Small Fish Robot, Processing of Japan Society for Design Engineering, No 99, 29-32.
[20] Cho, J. L., 1997, Electronic Subsystems of a Free-Swimming Robotic Fish, Ms Thesis, Massachusetts Institude of Technology, Cambrigde, USA.
[21] Zhou, C., Tan, M., Gu, N., Cao, Z., Wang, S. and Wang, L., 2008, The Design and Implementation of a Biomimetic Robot Fish, International Journal of Advanced Robotic Systems, 5 (2), 185-192.
[22] Chen, Z., Shatara, S. and Tan, X., 2009, Modeling of Biomimetic Robotic Fish Propelled by An Ionic Polymer-Metal Composite Caudal Fin, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 1-12.
[23] Zhang, Z. G., Yamashita, N., Gondo, M. Yamamoto, A. and Higuchi, T., 2008, Electrostatically Actuated Robotic Fish: Design and Control for High- Mobility Open-Loop Swimming, IEEE Transactions on Robotics, 24 (1), 118-129.
77
[24] Ye, W. X., Su, Y., Guo, S. and Wang, L., 2008, Design and Realization of a Remote Control Centimeter-Scale Robotic Fish, Proceedings of the IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics,July 2-5, Xian, China, 25-30.
[25] Ye, X., Su, Y. and Guo, S., 2007, A Centimeter-Scale Autonomous Robotic Fish Actuated by IPMC Actuator, International Conference on Robotics and Biomimetics, December 15-18, Sanya, China, 262-267.
[26] Liu, J. D. and Hu, H., 2006, Biologically Inspired Behaviour Design for Autonomous Robotic Fish, International Journal of Automation and Computing 4, 336-347.
[27] Liu, J. and Hu, H., 2003, Building a Simulation Environment for Optimising Control Parameters of an Autonomous Robotic Fish, Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, September 20, Luton, England, 317-322.
[28] http://tr.wikipedia.org/wiki/Kategori:Bal%C4%B1k_morfolojisi/, Balık Morfolojisi, 26 Eylül 2011.
[29] Liu, L., Yu, J. and Wang, L., 2006, Dynamic Modeling of Three-Dimensional Swimming for Biomimetic Robotic Fish, International Conference on Intelligent Robots and Systems, October 9-15, Beijing, China, 3916-3921. [30] http://biyopedi.com/?tag=vucut-sekilleri/, Balık Vücut ġekilleri, 16 Eylül 2011. [31] http://www.tr.wikipedia/wiki/fusiform/, Fusiform, 20 Eylül 2011.
[32] White, F. M., Kırkköprü, K. ve Ayder, E., 2004, AkıĢkanlar Mekaniği, Literatür Yayıncılık ve Dağıtım, Ġstanbul.
[33] George, V. L., Peter, G. and Madden A., 2007, Fish Locomotion: Kinematics and Hydrodynamics of Flexible Foil-Like Fins, Springer-Verlag, 43, 641-653.
[34] Webb, P. W., 1988, Simple Physical Principles and Vertebrate Aquatic Locomotion, Amer. Zool., 28, 709–725.
[35] Lindsey, C. C., 1978, Form, Function and Locomotory Habits, Fish Physiology, Vol.VII Locomotion, Academic Press, New York, 7, 1100-1978.
[36] Yu, J., Liu, L. and Wang, L., 2006, Dynamic Modeling and Experimental Validation of Biomimetic Robotic Fish, American Control Conference, June 14-16, Minneapolis, Minnesota, USA, 4129-4134.
[37] Yu, J., Liu, L., Tan, M., 2008, Three-Dimensional Dynamic Modeling of Robotic Fish: Simulations and Experiments, Transactions of the Institute of Measurement and Control, 30 (3/4), 239-258.
[38] Liu J. and Hu, H., 2010, Biological Inspiration: From Carangiform Fish to Multi- Joint Robotic Fish, Journal of Bionic Engineering, 7 (1), 35-48.
[39] Yu, J., Liu, L. and Wang, L., 2006, Dynamic Modeling of Robotic Fish Using Schiehlen’s Method, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics,December 17-20, Kunming, China 457-462. [40] Wu, T. Y., 1961, Swimming of a waving plate, J. Fluid Mech., 10, 321−344.
[41] Yu, J. Z., Chen, E. K., Wang, S. and TAN, M., 2002, Research Evolution and Analysis of Biomimetic Robot Fish, Control Theory and Application, accepted in Chinese.
[42] http://www.hitecrcd.com/products/aircraft-radios-receivers-and-accessories /aircraft /aurora9 /aurora-9-2-4ghz.html/, Hitec Aurora 9, 18 Temmuz 2010.
[43] http://www.microchip.com/wwwproducts/devices.aspx?ddocname=en010241/, PIC Katalog Bilgileri, 18 Temmuz 2010.
[44] http://www.ti.com/product/max232/, Max232 Katalog Bilgileri, 25 Temmuz 2010. [45] http://www.national.com/mpf/LM/LM311.html/, Katalog Bilgileri, 10 Eylül 2010. [46] http://www.hitecrcd.com/products/digital/digital-micro-mini/hs-5245mg.html/, Model
Bilgisi, 5 Temmuz 2010.
[47] http://www.panabilisim.com/120-hikvision-hv919-1-3-380-tvl-36mm-sesli-kablosuz- mini-telsiz-guvenlik-kamerasi.html/, Kablosuz Kamera, 10 Ocak 2011. [48] http://www.sharpsma.com/optoelectronics/sensors/distance-measuring-sensors/GP2D
120XJ00F/, 18 Temmuz 2010.
[49] Zhou, C., Cao, Z., Wang, S. and Tan, M., 2006, The Posture Control and 3-D Locomotion Implementation of Biomimetic Robot Fish, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, October 9-15, Beijing, China, 5406-5411.
[50] Yu, J., Wang, L., Zhao, W. and Tan, M., 2008, Optimal Design and Motion Control of Biomimetic Robotic Fish, Science in China Series F: Information Science, 51 (5), 535-549.
79
[51] Yu, J. and Wang, L., 2005, Parameter Optimization of Simplified Propulsive Model for Biomimetic Robot Fish, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, April, Barcelona, Spain, 3317- 3322.
[52] ġahin, H., Dayanık, A. ve AltınbaĢak, C., 2006, PIC Programlama Teknikleri ve PIC16F877A, Altaş Yayıncılık, Ġstanbul.
[53] Çiçek, S., 2007, CCS C ile PIC Programlama, Altaş Yayıncılık, Ġstanbul.
[54] http://www.microchipc.com/PIC16bootload/, Bootloader ile PIC Programlama, 20 Mayıs 2011.
[55] http://www.best-microcontroller-projects.com/pic-icsp.html/, ICSP Programlama, 10 Ekim 2011.
[56] http://www.avermedia.com/avertv/Upload/SDK/index.html/, Görüntü Yakalama, 18 Temmuz 2010.
[57] Liu, J., Hu, J., 2007, A Methodology of Modelling Fish-like Swim Patterns for Robotic Fish, Proceedings of IEEE 2007 International Conference on Mechatronics and Automation, August 5-8, Harbin, China, 1316-1321. [58] Yu, J., Liu, L., Wang, L., Tan, M. And Xu, D., 2008, Turning Control of a
Multilink Biomimetic Robotic Fish, IEEE Transactions on Robotics, 24 (1), 201-206.
[59] Yu, J., Wang, M., Tan, M. and Li, Y. F., 2009, Step Function Based Turning Maneuvers in Biomimetic Robotic Fish, IEEE International conference on Robotics and Automation, May 12-17, Kobe International Conference Center, Kobe, Japan, 3431-3436.
EK-1 Robot Balığın Dinamik Sistemi için OluĢturulan MATLAB/Simulink Modeli teta teta 3 teta 4 frekans acisal hiz ycikis y x hiz (v) teta _d teta 2 teta 1 teta _d f (frekans ) f f x y hiz (v) teta _d f (frekans ) Out 3 3 Out 2 2 Out 1 1 ycikis x ve y bilgisi In 1 In 2 Out1 Out2 teta _4_3_2_1 motorlar _omurga yapisi
dinamik model In 1 In 2 Out1 acisal hiz In1 In2 Out 1 Out 2 Out 3 aciaal hiz MATLAB Fcn MATLAB Function Add In 1 1
81
EK-2 Robot Balığın Kinematik ve Hidrodinamik Modelleri için OluĢturulan MATLAB/Simulink Modeli a(t) (ivme ) Fty Dv Fthrust f Out 1 1 ivme In 1 In 2 Out1 Integrator 1 s Fty f(u) Fthrust In1 Out 1 Dv In1 Out 1 In 2 2 In 1 1
EK-3 Robot Balık Eklem Modeli için OluĢturulan MATLAB/Simulink Modeli ref _teta 1 teta 1 ref _teta 2 teta 2 ref _teta 3 teta 3 teta 4 ref _teta 4 teta 1 teta 2 teta 3 teta 4 ycikis Out 8 8 Out 7 7 Out 6 6 Out 5 5 Out 4 4 Out 3 3 Out 2 2 Out 1 1 sol aci 4 -1 sol aci 3 -1 sol aci 2 -1 sol aci 1 -1 sag aci 4 In 1 Out1 sag aci 3 In 1 Out1 sag aci 2 In 1 Out1 sag aci 1 In1 Out 1 ileri aci 4 In1 Out 1 ileri aci 3 In1 Out 1 ileri aci 2 In1 Out 1 ileri aci 1 In1 Out 1 Multiport Switch 3 Multiport Switch 2 Multiport Switch 1 Multiport Switch EKLEM 4 In1 Out 1 Out 2 EKLEM 3 In1 Out 1 Out 2 EKLEM 2 In1 Out 1 Out 2 EKLEM 1 In1 Out 1 Out 2 bilgi 2 frekans (f) 1
83
EK-4 Robot Balığın 2-Boyutlu Eksende Hareket Modeli için OluĢturulan MATLAB/Simulink Modeli y x v teta ydat x xdat teta v Out 2 2 Out 1 1 Integrator 4 1 s Integrator 3 1 s Fcn3 f(u) Fcn2 f(u) In 2 2 In 1 1
EK-5 Robot Balığın Açısal Hız Modeli için OluĢturulan MATLAB/Simulink Modeli Out 3 3 Out 2 2 Out 1 1 derece -rad 1 f(u) derece -rad f(u) Vr f(u) Integrator 2 1 s In 2 2 In 1 1
85
ÖZGEÇMĠġ
Deniz KORKMAZ dkorkmaz@firat.edu.tr Tlf: +90 424 2370000 / 4317 Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi
Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Bölümü ELAZIĞ
1985 yılında Çanakkale’de doğdu. Ġlk ve orta öğrenimini Çanakkale’de, lise öğrenimini Kocaeli’de tamamladı. 2004 yılında Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Bölümü’nü kazandı. 2008 yılında bu bölümden mezun oldu. Bir dönem sonra Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik ve Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı’nda yüksek lisans eğitimine baĢladı. 2009 yılında aynı bölümde açılan AraĢtırma Görevliliği sınavını kazanarak göreve baĢladı. Halen bu görevi sürdürmektedir. Yabancı dili Ġngilizce’dir.